使用光子分子的芯片级光谱仪
发布时间：2023-03-08 08:00:00 阅读数： 298
芯片级光谱仪的微型化让便携式设备能快速检测光谱信息，开辟了众多新应用场景。但传统集成光谱仪往往面临光谱分辨率与光学带宽难以兼顾的问题，而使用光子分子的芯片级光谱仪正是为解决这一矛盾而生的创新方案。
传统芯片级光谱仪的瓶颈与光子分子技术的突破
光学光谱仪在材料分析、生物传感、光学断层扫描、高光谱成像等科学和工业领域中不可或缺。传统台式光谱仪易受机械振动影响，难以在实验室外实地部署；而基于全固态光子集成电路的集成光谱仪，虽具备体积小、抗振动、成本潜力低等优势，却大多存在光谱分辨率与操作带宽的固有妥协 —— 高分辨率需要长光路支持光谱去重，这会导致自由光谱范围（FSR）缩小。
为突破这一限制，香港中文大学电子工程系 Hon Ki Tsang 教授团队在《光：科学与应用》发表的新研究中，开发了基于光子分子的芯片级光谱仪。该方案通过色散工程的耦合谐振器（类似两级分子结构），利用模式分裂特性，实现了超宽频带上的超高分辨率光谱重建。
光子分子芯片级光谱仪的工作原理
这种使用光子分子的芯片级光谱仪核心是一对相同的可调谐微环谐振器（MRR）。强烈的腔间耦合会将每个谐振模式分裂为对称模式和反对称模式，这一行为类似双原子分子中的能级分裂，因此被称为 “光子分子”。值得注意的是，模式分裂强度与耦合强度成正比。
通过设计 “光子分子” 的色散特性，分裂强度能在包含多个 FSR 的超宽频带内变化。当同时调谐两个 MRR 时，每个波长通道会产生独特的扫描轨迹，从而实现对未知输入光谱的精准重建。
光子分子芯片级光谱仪的性能与应用潜力
实验中，光子分子芯片级光谱仪成功检索了多种具有复杂特征的测试光谱，在 100 纳米带宽内实现了 40pm 的超高光谱分辨率。即便存在热噪声，仍能保持高重建精度。
研究团队表示：“我们的光子分子芯片级光谱仪是捕捉高分辨率宽带光谱的新方法，仅依赖一对耦合谐振器，功耗极低且兼容主流纳米光子制造技术。其基于耦合谐振器模式分裂（类似双原子分子能级分裂），设计简单、尺寸小巧，可与其他设备密集集成，未来有望应用于手持式甚至可穿戴式光谱传感器?！?br>
这种使用光子分子的芯片级光谱仪，既突破了传统集成光谱仪的性能瓶颈，又为光谱检测技术的便携化、场景化应用提供了全新可能。
参考资料
Hongnan Xu et al, Breaking the resolution-bandwidth limit of chip-scale spectrometry by harnessing a dispersion-engineered photonic molecule, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01102-9
